專利名稱：氣體分離方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從含多種組分的氣體混合物中分離和回收有用氣體的方法和系統(tǒng)，特別地，本發(fā)明涉及一種適合從空氣中分離氧氣和氮?dú)饣驈暮匈F重氣體和氮?dú)獾臍怏w混合物中分離貴重氣體和氮?dú)庖约矮@得每種氣體的產(chǎn)品的氣體分離方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
低溫空氣分離方法已被廣泛用于從空氣為原料氣中分離和回收空氣中含有的氧氣和氮?dú)?。在這些低溫空氣分離方法中，原料空氣被液化，利用氮?dú)夂脱鯕獾姆悬c(diǎn)差將氧氣和氮?dú)庹麴s出來。由于這種低溫空氣分離方法的系統(tǒng)費(fèi)用高，它適合用于消耗大量產(chǎn)品的系統(tǒng)中。
利用吸附劑進(jìn)行分離的變壓吸附方法(Pressure Swing Adsorptionmethod，以下簡稱“PSA法”)最近被用于空氣組分的分離和回收。當(dāng)采用這種PSA法從空氣中分離和回收氧氣作為產(chǎn)品時(shí)，使用沸石作為吸附劑。當(dāng)加壓的空氣進(jìn)入填充沸石的吸附塔中時(shí)，易被沸石吸附的氮?dú)獗环惺胶捅Ａ?，不易被沸石吸附的氧氣通過吸附塔并流出(吸附步驟)。然后，當(dāng)填充沸石吸附劑的吸附塔中的壓力下降直到低于吸附步驟中吸附塔的壓力時(shí)，吸附步驟中沸石吸附劑吸附和保留的氮?dú)饨馕?，從吸附塔流出并回?再生步驟)。
在PSA法中，在相對高的壓力下進(jìn)行的吸附步驟和在相對低的壓力下進(jìn)行的再生步驟在短時(shí)間內(nèi)交替重復(fù)。因此，容易增加單位質(zhì)量吸附劑的所需產(chǎn)品的回收量，PSA法的系統(tǒng)在規(guī)模上可減小。
例如，在PSA法中，當(dāng)使用兩個(gè)吸附塔交替進(jìn)行吸附步驟和再生步驟時(shí)，所需的產(chǎn)品能夠從兩個(gè)吸附塔中連續(xù)回收。在幾乎所有的PSA法中，不易被吸附劑吸附的、通過和流出吸附塔的組分能高純度地回收。當(dāng)易被吸附劑吸附的組分作為需要的產(chǎn)品被回收時(shí)，吸附劑吸附這個(gè)易吸附的組分，但吸附劑也同時(shí)吸附少量的不易吸附的其它組分。另外，不易吸附的其它組分停留在吸附劑間的空隙空間中。在降低吸附塔的壓力的再生步驟中，使吸附塔中不易吸附的其它組分和解吸氣體一起流出。因此，易吸附的產(chǎn)品組分中包含相當(dāng)量的不易吸附的其它組分。而且再生步驟中從吸附塔流出的易吸附組分和不易吸附組分間的混合比依賴于所用吸附劑的性質(zhì)而定。
因此，當(dāng)易吸附的組分作為高純度產(chǎn)品回收時(shí)，在吸附步驟前的再生步驟中，必需在吸附步驟末使用易被吸附和回收為產(chǎn)品的組分(在前面的步驟中解吸回收的產(chǎn)品)沖洗吸附塔。這導(dǎo)致分離和回收步驟的復(fù)雜性。另外，這也需要提供沖洗的附加設(shè)備，例如壓縮機(jī)。
為了回收高純度的需要的氣體產(chǎn)品，基于PSA法分離氣體的常規(guī)設(shè)備和方法主要以含有多種組分氣體的氣體混合物中僅僅一種組分為目標(biāo)。
例如，未審查的日本專利申請、第一次公布號昭55-147119公開了從氣體混合物中高純度地分離和回收多組分中的每一種組分的PSA法。這個(gè)分離方法使用由一個(gè)填充有選擇性吸附空氣中H2O和CO2的吸附劑的預(yù)備塔和一個(gè)填充選擇性吸附氮?dú)舛皇茄鯕獾牧硪环N吸附劑的主塔。這個(gè)分離方法提供富含氧氣的空氣和高純度的氮?dú)狻?br> 未審查的日本專利申請，第一次公布號昭55-147119公開的基于PSA法分離空氣的常規(guī)方法參照圖3解釋如下。
PSA空氣分離系統(tǒng)50包含填充有選擇性吸附H2O和CO2的吸附劑的預(yù)備塔Y1和Y2和填充有選擇性吸附氮?dú)獾牧硪环N吸附劑如沸石的主塔Z1和Z2。這些塔組成兩對包含預(yù)備塔Y1和主塔Z1、預(yù)備塔Y2和主塔Z2的處理系統(tǒng)。這些處理系統(tǒng)連接起來以便交替地被供應(yīng)原料空氣。當(dāng)一個(gè)處理系統(tǒng)被供應(yīng)原料空氣和吸附氮?dú)馍a(chǎn)富含氧氣的空氣(吸附步驟)時(shí)，另一個(gè)處理系統(tǒng)解吸前面的吸附步驟中吸附劑吸附的氮?dú)?，提供高純度的氮?dú)?再生步驟)。
例如，當(dāng)預(yù)備塔Y1和主塔Z1的聯(lián)合處于吸附步驟和預(yù)備塔Y2和主塔Z2的聯(lián)合處于再生步驟時(shí)，包含這些聯(lián)合的系統(tǒng)操作如下。
當(dāng)包含預(yù)備塔Y1和主塔Z1的處理系統(tǒng)處于吸附步驟時(shí)，原料空氣MA進(jìn)入管線51、通過閥門51和送風(fēng)機(jī)52，因此原料空氣被加壓到預(yù)定壓力，加壓的原料空氣通過管線53、閥門52和管線54，供應(yīng)給預(yù)備塔Y1。在預(yù)備塔Y1中，H2O和CO2被吸附并被從原料空氣中除去。然后H2O和CO2被吸附除去的空氣M通過閥門53，然后進(jìn)入填充了沸石吸附劑的主塔Z1。當(dāng)通過主塔Z1時(shí)，空氣M中的氮?dú)饨M分被沸石吸附劑吸附。不易被沸石吸附劑吸附的氧氣被濃縮成為富含氧氣的空氣。富含氧氣的空氣被迫流進(jìn)管線55，通過閥門54和管線56，回收在富含氧氣的空氣罐57中。此后，富含氧氣的空氣經(jīng)管線58供應(yīng)給使用點(diǎn)。
當(dāng)包含預(yù)備塔Y2和主塔Z2的處理系統(tǒng)處于再生步驟時(shí)，打開閥門65，主塔Z2中累積的含氧氮?dú)獗黄攘魅牍芫€65。接著含氧的氮?dú)馔ㄟ^閥門65和管線69和60，回收在廢氣罐61中。廢氣用于預(yù)備塔Y1和Y2的再生清洗。此后，主塔Z2中的吸附劑吸附的氮?dú)馔ㄟ^關(guān)閉閥門65、打開閥門63和66、運(yùn)轉(zhuǎn)真空泵62而解吸。解吸的氮?dú)馔ㄟ^閥門63和預(yù)備塔Y2、管線64、閥門66、和經(jīng)真空泵62的管線63和67，然后回收在氮?dú)鈨?chǔ)存罐68中作為高純度的氮?dú)鈿怏w產(chǎn)品。此后氮?dú)鈿怏w產(chǎn)品經(jīng)管線70供應(yīng)給使用點(diǎn)。
如上解釋，包含預(yù)備塔Y1和主塔Z1、預(yù)備塔Y2和主塔Z2的處理系統(tǒng)通過操作閥門交替進(jìn)行吸附步驟和再生步驟。在該方法中，為了生產(chǎn)高純度的氮?dú)鈿怏w產(chǎn)品，在吸附步驟之后和再生步驟之前，進(jìn)行一個(gè)清洗步驟。在清洗步驟中，回收的氮?dú)獗黄攘鞒龅獨(dú)鈨?chǔ)存罐68，進(jìn)入到管線71、閥門67、管線72、循環(huán)送風(fēng)機(jī)73、管線74、閥門75和76，供應(yīng)給主塔Z1或Z2。進(jìn)入的氮?dú)鈿怏w清洗主塔Z1或Z2，即，主塔Z1或Z2中的氮?dú)鉂舛纫虻獨(dú)膺M(jìn)入而增加。因此，增加氮?dú)鈿怏w的純度。
但是，在再生步驟中，用于解吸的氮?dú)庖晕讲襟E中原料空氣的流向的相反方向進(jìn)入到主塔Z1或Z2中。換句話說，從主塔Z1或Z2中解吸的氮?dú)饩哂休^高的純度，但在再生步驟中，由于該氮?dú)馔ㄟ^吸附H2O和CO2的預(yù)備塔Y1或Y2，因此氮?dú)夂虷2O和CO2一起流出。因此氮?dú)獍^高百分比的H2O和CO2雜質(zhì)。因此，除去這些雜質(zhì)是必需的，這導(dǎo)致需要提供附加設(shè)備，例如另外的送風(fēng)機(jī)、空氣流動(dòng)設(shè)備和精制設(shè)備例如干燥器。由于這個(gè)原因，分離系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)費(fèi)用也增加。
如上面的解釋，在未審查的日本專利申請、第一次公布號Sho55-147119公開的空氣分離方法中，使用氮?dú)猱a(chǎn)品清洗主塔而廢棄的含相當(dāng)高濃度的氧氣的廢氣經(jīng)用于導(dǎo)入原料空氣的管線回收。相比之下，未審查的日本專利申請、第一次公布號Hei 1-297119公開的空氣分離方法中，含相當(dāng)高濃度的氧氣的廢氣作為富含氧氣的空氣產(chǎn)品的一部分回收。這些方法也存在著問題，氮?dú)猱a(chǎn)品被H2O和CO2污染，系統(tǒng)復(fù)雜。
未審查的日本專利申請、第一次公布號Sho52-52181公開了一種99％的高純度或更高的氧氣的回收方法，其中，填充有分子篩炭(molecularsieve carbon，以下簡稱“MSC”)的吸附塔和填充有沸石的吸附塔連接，原料氣被迫連續(xù)地接觸性地流過這些塔。總的來說，當(dāng)氧氣用沸石從空氣中回收時(shí)，沸石非常不吸附氬氣，因此氧氣產(chǎn)品被氬氣污染。因此吸附和分離后的氧氣濃度低于約95％。在這個(gè)方法中，為了生產(chǎn)濃度為95％或更高的氧氣產(chǎn)品，根據(jù)原料氣的組分，使用兩種吸附劑。
在未審查的日本專利申請、第一次公布號Sho52-52181公開的這種吸附分離方法中，從填充第一種吸附劑的第一個(gè)吸附塔流出和包含高百分比含量的主要?dú)怏w組分的氣體混合物，被用作填充有第二種吸附劑的第二個(gè)吸附塔的原料氣，或作為氣體產(chǎn)品回收。因此，需要一個(gè)泵單元從一個(gè)吸附塔輸送解吸的氣體到另一個(gè)吸附塔或在吸附塔中循環(huán)解吸的氣體。系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)費(fèi)用增加。
如上面解釋，基于PSA法的幾乎所有常規(guī)氣體分離方法和系統(tǒng)分離和回收粗氣體混合物中的僅僅一種高純度組分。需要能生產(chǎn)多種高純度組分的分離方法和系統(tǒng)。
考慮到上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種基于PSA法的氣體分離方法和系統(tǒng)，包含在氣體混合物中的多種組分能被高純度地同時(shí)分離和回收，系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)費(fèi)用低，操作容易。

發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到目的，本發(fā)明提供了一種權(quán)利要求1的氣體分離方法，其中，采用壓力變換吸附方法從包含至少兩種主要?dú)怏w組分的氣體混合物中分離和回收至少兩種主要?dú)怏w組分，其中，該方法包括如下步驟加壓氣體混合物、交替重復(fù)用不易吸附第一種主要?dú)怏w組分、易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第一種吸附劑分離第一種主要?dú)怏w組分作為第一種氣體產(chǎn)品的步驟；和用易吸附第一種主要?dú)怏w組分、不易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第二種吸附劑分離第二種主要?dú)怏w組分作為第二種氣體產(chǎn)品的步驟，并由此從所述氣體混合物中同時(shí)生產(chǎn)第一種和第二種產(chǎn)品。
權(quán)利要求2的氣體分離方法是根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體分離方法，其中，在第一種和第二種主要?dú)怏w組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟中，第一種和第二種氣體產(chǎn)品儲(chǔ)存在產(chǎn)品罐中；和在第一種和第二種主要?dú)怏w組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟后，用儲(chǔ)存在產(chǎn)品罐中的第一種和第二種氣體產(chǎn)品沖洗第一種和第二種吸附劑。
權(quán)利要求3的氣體分離方法是根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物是空氣。
權(quán)利要求4的氣體分離方法是根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物包含氮?dú)夂碗礆馀c氙氣中的至少一種。
權(quán)利要求5的氣體分離方法是根據(jù)權(quán)利要求1或2的氣體分離方法，其中，第一種吸附劑是沸石，第二種吸附劑是分子篩炭。
權(quán)利要求6的氣體分離方法是根據(jù)權(quán)利要求1或2的氣體分離方法，其中，主要?dú)怏w組分之一是包含氪氣與氙氣中至少一種的氮?dú)?；第一種吸附劑是選擇性吸附氮?dú)獾腘a-A型沸石；第二種吸附劑是選擇性吸附氪氣和氙氣的活性炭。
權(quán)利要求7的氣體分離系統(tǒng)是采用壓力變換吸附系統(tǒng)從包含至少兩種主要?dú)怏w組分的氣體混合物中分離至少兩種主要?dú)怏w組分的分離氣體的系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)包括氣體加壓設(shè)備、填充有不易吸附第一種主要?dú)怏w組分、易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第一種吸附劑的第一個(gè)吸附塔；填充有易吸附第一種主要?dú)怏w組分、不易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第二種吸附劑的第二個(gè)吸附塔；以及，將氣體混合物交替地通到第一個(gè)和第二個(gè)塔以及第一種和第二種主要?dú)怏w組分從第一個(gè)和第二個(gè)塔通過其流出的管線與閥門。
權(quán)利要求8的氣體分離系統(tǒng)是根據(jù)權(quán)利要求7的氣體分離系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)進(jìn)一步包括存儲(chǔ)第一種主要?dú)怏w組分、提供有與第一個(gè)吸附塔連接的管線的第一個(gè)產(chǎn)品罐；第一種主要?dú)怏w組分通過其從第一個(gè)產(chǎn)品罐流回第一個(gè)吸附塔的管線；存儲(chǔ)第二種主要?dú)怏w組分、提供有與第二個(gè)吸附塔連接的管線的第二個(gè)產(chǎn)品罐；以及，第二種主要?dú)怏w組分通過其從第二個(gè)產(chǎn)品罐流回第二個(gè)吸附塔的管線。
附圖簡述

圖1是基于本發(fā)明的PSA法分離氣體的第一種系統(tǒng)的示意圖。
圖2是基于本發(fā)明的PSA法分離氣體的第二種系統(tǒng)的示意圖。
圖3是基于PSA法分離氣體的常規(guī)方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明分離氣體的方法和系統(tǒng)參照圖進(jìn)行解釋。
第一種方案圖1是表示基于第一種方案的PSA法分離氣體的系統(tǒng)的示意圖。在第一種方案中，空氣MA被用作原料氣體混合物M，空氣的主要?dú)怏w組分氧氣和氮?dú)庾鳛闅怏w產(chǎn)品被分離和回收。
本方案的系統(tǒng)包括壓縮作為原料氣體混合物M的空氣MA的壓縮機(jī)1、每個(gè)都填充了對空氣主要?dú)怏w組分氧氣(O2)和氮?dú)?N2)有不同吸附性質(zhì)的吸附劑的吸附塔2A和2B。特別地，吸附塔2A填充有選擇性吸附氮?dú)?、不易吸附氧氣的沸石吸附劑，吸附?B填充有選擇性吸附氧氣、不易吸附氮?dú)獾腗SC吸附劑。壓縮機(jī)1和吸附塔2A和2B用管線和閥門連接起來，因此交替地進(jìn)入吸附塔2A和2B的空氣MA通過吸附塔2A和2B，從吸附塔2A和2B流出并被回收。
空氣MA被壓縮機(jī)1加壓至100-1,000kPa(這是壓縮機(jī)的計(jì)量壓力，也稱表壓)，優(yōu)選至200-800kPa。加壓的空氣MA被迫通過管線3和4和原料供應(yīng)閥門5a，進(jìn)入吸附塔2A。由于吸附塔2A填充了選擇性吸附氮?dú)獾姆惺絼?，如上面解釋，氮?dú)獗粌?yōu)先吸附。不易被沸石吸附劑吸附的氧氣被迫從吸附塔2A的出口流出，通過產(chǎn)品卸出閥門6a和管線7，生產(chǎn)為氧氣體積濃度(以下的“％”表示“體積％”)為85-95％的富含氧氣的氣體MO。
特別地，在吸附塔2A中，吸附了氮?dú)獾姆惺絼┑姆秶S時(shí)間的推移增加到吸附塔2A的出口。當(dāng)從吸附塔2A流向管線7的富含氧氣的氣體中氮?dú)饬砍^容許量時(shí)，吸附塔2A的吸附步驟完成。特別地，關(guān)閉原料供應(yīng)閥門5a和產(chǎn)品卸出閥門6a，同時(shí)打開吸附塔2B配備的原料供應(yīng)閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b。
打開原料供應(yīng)閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b，空氣通過管線8和原料供應(yīng)閥門5b進(jìn)入吸附塔2B，而不是吸附塔2A。由于吸附塔2B填充了選擇性吸附氧氣的MSC吸附劑，如上解釋，氧氣被選擇性吸附。不易被MSC吸附的氮?dú)獗黄葟奈剿?B的出口流出，通過產(chǎn)品卸出閥門6b和管線9，生產(chǎn)為氮?dú)鉂舛葹?9-99.99％的富含氮?dú)獾臍怏wMN。
特別地，在吸附塔2B中，吸附了氧氣的MSC的范圍隨時(shí)間的推移增加至吸附塔2B的出口。當(dāng)從吸附塔2B的出口流向管線9的富含氮?dú)獾臍怏w中的氧氣量超過容許量時(shí)，關(guān)閉原料供應(yīng)閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b結(jié)束吸附塔2B中的吸附步驟。同時(shí)打開吸附塔2A配備的原料供應(yīng)閥門5a和產(chǎn)品卸出閥門6a。然后空氣MA進(jìn)入其中前面吸附步驟使用的沸石吸附劑事先再生的吸附塔2A，因此再次生產(chǎn)出富含氧氣的氣體MO。
通過這種方式操作這些閥門，使到吸附塔2A和2B的空氣進(jìn)入交替地改變，富含氧氣的氣體MO作為產(chǎn)品從吸附塔2A生產(chǎn)出，富含氮?dú)獾臍怏wMN作為產(chǎn)品從另一個(gè)吸附塔2B生產(chǎn)出。
如上面解釋，吸附塔2A或2B中的吸附步驟中，由于填充在另一個(gè)吸附塔2B或2A中的吸附劑在前面的吸附步驟中被使用，吸附劑被容易被吸附的組分飽和。為了解吸易被吸附的該組分和再生該吸附劑，進(jìn)行再生步驟。
在本方案中，再生步驟進(jìn)行如下。
例如，當(dāng)吸附步驟中使用的吸附塔2A再生時(shí)，關(guān)閉原料供應(yīng)閥門5a和產(chǎn)品卸出閥門6a。吸附塔2A配備的廢氣閥門10a打開，吸附塔2A的內(nèi)部和大氣相通，吸附劑保留的和吸附塔2A中累積的氣體通過管線11排放到大氣中。當(dāng)吸附塔2A的壓力下降時(shí)，吸附劑(沸石)吸附的氮?dú)饨馕?。因此沸石吸附劑再生。在再生步驟后，關(guān)閉廢氣閥門10a維持吸附塔2A直到下一個(gè)吸附步驟。
類似地，吸附塔2B進(jìn)行再生。當(dāng)吸附塔2B再生時(shí)，關(guān)閉原料供應(yīng)閥門5b和產(chǎn)品卸出閥門6b。吸附塔2B配備的廢氣閥門10b打開，吸附塔2B的內(nèi)部和大氣相通，吸附劑保留的和吸附塔2B中累積的氣體通過管線12排放到大氣中。在再生步驟后，關(guān)閉廢氣閥門10b維持吸附塔2B直到下一個(gè)吸附步驟。
吸附塔2A和2B的吸附步驟和再生步驟的時(shí)間，即當(dāng)吸附塔2A處于吸附步驟時(shí)吸附塔2B的再生時(shí)間和當(dāng)吸附塔2A處于再生步驟時(shí)吸附塔2B的吸附時(shí)間，優(yōu)選相等。但是，可能增加吸附步驟和再生步驟中的一個(gè)時(shí)間。當(dāng)吸附步驟和再生步驟中的一個(gè)時(shí)間增加時(shí)，另一個(gè)步驟可能在繼續(xù)也可能被停止，和通過關(guān)閉閥門得以維持。
在上面的方案中，空氣MA被用作原料氣體混合物M，富含氧氣的氣體MO和富含氮?dú)獾臍怏wMN被分離和回收。但是，當(dāng)氪氣和氮?dú)馐侵饕獨(dú)怏w組分時(shí)，這些氣體組分能用另外的吸附劑組合，例如沸石吸附劑和活性炭吸附劑的組合，進(jìn)行分離和回收，。
當(dāng)用沸石吸附劑和活性炭吸附劑分離和回收氪氣和氮?dú)鈺r(shí)，用壓縮機(jī)壓縮氣體混合物至100-2,000kPa，優(yōu)選至200-1,000kPa分離和生產(chǎn)氪氣濃度為99-99.999％的富含氪氣的氣體產(chǎn)品和氮?dú)鉂舛葹?9-99.999％的富含氮?dú)獾臍怏w產(chǎn)品。
第二個(gè)方案第二個(gè)方案參照圖2進(jìn)行解釋。在第二個(gè)方案中，圖1表示的系統(tǒng)中產(chǎn)品罐13A和13B配備了管線7和9，吸附塔2A和2B的產(chǎn)品流經(jīng)管線7和9。吸附塔2A和2B生產(chǎn)的產(chǎn)品儲(chǔ)存在產(chǎn)品罐13A和13B中，這些產(chǎn)品在再生步驟中用于沖洗吸附塔2A和2B。這些操作將詳細(xì)地進(jìn)行解釋。
而且，圖2和圖1的相同部分，使用圖1中相同的參考數(shù)字。因此在本方案中忽略這些相同部分的解釋。
在吸附塔2A的吸附步驟中，流過產(chǎn)品卸出閥門6a和管線7的富含氧氣的氣體MO進(jìn)入并儲(chǔ)存在富含氧氣的氣體罐13A中。儲(chǔ)存的富含氧氣的氣體經(jīng)管線14供應(yīng)給使用點(diǎn)。在吸附塔2A的吸附步驟完成后，操作閥門使原料空氣M進(jìn)入吸附塔2B。然后吸附塔2B處于吸附步驟，吸附塔2A處于再生步驟。
在本方案的吸附塔2A的再生步驟中，富含氧氣的氣體MO被迫從富含氧氣的氣體罐13A經(jīng)管線15和沖洗閥門16a流回吸附塔2A。因此富含氧氣的氣體MO解吸沸石吸附劑吸附的氮?dú)?，其被迫和氮?dú)庖黄鸾?jīng)廢氣閥門10a和管線11從系統(tǒng)中流出。由于這個(gè)原因，吸附塔2A中的吸附劑(沸石)吸附的組分(氮?dú)?被不易吸附的在吸附步驟作為產(chǎn)品回收的組分(富含氧氣的氣體MO)沖洗。易被吸附的組分的解吸變得容易。
在吸附塔2B的再生步驟中，吸附塔2B中的MSC吸附劑經(jīng)沖洗作為氣體產(chǎn)品的富含氮?dú)獾臍怏wMN進(jìn)行類似的再生。特別地，富含氮?dú)獾臍怏wMN被迫經(jīng)管線18和沖洗閥門16b從富含氮?dú)獾臍怏w罐13B流回吸附塔2B。因此，富含氮?dú)獾臍怏wMN解吸MSC吸附劑吸附的氧氣，這被迫和氧氣一起經(jīng)廢氣閥門10b和管線12從系統(tǒng)中流出。由于本原因，吸附塔2B中的吸附劑(MSC)吸附的組分(氧氣)被不易吸附的在吸附步驟作為產(chǎn)品回收的組分(富含氮?dú)獾臍怏wMN)沖洗。易吸附的組分的解吸變得容易，有效地進(jìn)行再生。
在第一個(gè)和第二個(gè)方案中，吸附塔2A和2B的出口配備的管線7和9優(yōu)選配備平衡罐(未表示在圖中)，使吸附步驟后再生步驟前吸附塔2A和2B中的和具有類似的氣體產(chǎn)品濃度的氣體進(jìn)入并儲(chǔ)存在平衡罐中。再生步驟后，儲(chǔ)存在平衡罐中的氣體在低壓條件下返回到吸附塔2A和2B中，使吸附塔2A和2B的壓力與平衡罐的壓力彼此相等。因此有效地使用原料氣體和改進(jìn)氣體產(chǎn)品的回收百分比是可能的。
在第一個(gè)和第二個(gè)方案中，解釋了分離包含兩種主要?dú)怏w組分的氣體混合物的方法和系統(tǒng)。但是，本發(fā)明并不局限于這些方案。本發(fā)明能用于包含多種氣體的氣體混合物。特別地，通過包含對氣體混合物中每一種組分有合適的吸附性質(zhì)的吸附劑的多個(gè)吸附塔，彼此不同的多種組分能同時(shí)被回收。
實(shí)施例實(shí)例1在圖1所示的系統(tǒng)中，吸附塔2A填充有Na-X型沸石吸附劑，另一個(gè)吸附塔2B填充有MSC吸附劑。另外，活性氧化鋁也填充在吸附塔2A和2B的入口部分以吸附和除去水分。空氣MA經(jīng)壓縮機(jī)1加壓至700kPa，準(zhǔn)備原料氣體混合物M。然后原料氣體混合物M供應(yīng)給吸附塔2A和2B。填充了Na-X型沸石吸附劑的吸附塔2A中生產(chǎn)氧氣濃度為93％的富含氧氣的氣體，填充了MSC吸附劑的吸附塔2B中生產(chǎn)氮濃度為99％的富含氮?dú)獾臍怏w。
在本實(shí)例中，用其它堿金屬離子或堿土金屬離子交換Na-X型沸石中的全部或部分Na離子的沸石吸附劑、Ca-A型沸石、發(fā)光沸石等可替代Na-X型沸石吸附劑被使用。
實(shí)例2在圖1所示的系統(tǒng)中，吸附塔2A填充有Na-A型沸石吸附劑，吸附塔2B填充有活性炭吸附劑。包含干燥的氮?dú)夂透稍锏碾礆獾脑蠚怏w混合物M經(jīng)壓縮機(jī)1加壓至700kPa，供應(yīng)給吸附塔2A和2B。氪氣濃度為99.99％的富含氪氣的氣體從填充Na-A型沸石吸附劑吸附塔2A生產(chǎn)。氮?dú)鉂舛葹?9.5％的富含氮?dú)獾臍怏w從填充活性炭吸附劑的吸附塔2B生產(chǎn)。
另外，原料氣體混合物M以和上面的過程相同的方式分離，不同之處是包含氮?dú)夂碗礆獾脑蠚怏w混合物M改變?yōu)榘獨(dú)夂碗瘹獾脑蠚怏w混合物M。氙氣濃度為99.99％的富含氙氣的氣體以和氪氣相同的方式從填充了Na-A型沸石吸附劑的吸附塔2A生產(chǎn)。氮?dú)鉂舛葹?9.5％的富含氮?dú)獾臍怏w從填充了活性炭吸附劑的吸附塔2B生產(chǎn)。
而且，由于實(shí)例2中分離的氪氣和氙氣極其稀有，將它們排放到系統(tǒng)外在經(jīng)濟(jì)上是不可取的。因此，圖1所示的廢氣的管線11和12和與壓縮機(jī)1配置的原料氣進(jìn)入管連接，因此包含氪氣和氙氣的廢氣在系統(tǒng)中循環(huán)。有效地減少分離中稀有的氪氣和氙氣的損失。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的氣體分離方法和系統(tǒng)按照上面解釋的方式進(jìn)行，它們具有下面的工業(yè)應(yīng)用性。
在本發(fā)明中，包含多種組分氣體的原料氣體混合物進(jìn)入填充了不同吸附性質(zhì)的吸附劑的吸附塔中，每種組分被分離和回收。因此，使用基于PSA法的這種簡單系統(tǒng)從原料氣體混合物中富集和回收兩種組分作為氣體產(chǎn)品。
另外，這些氣體產(chǎn)品作為吸附步驟中不易被吸附劑吸附的組分被回收。也就是說，這些氣體產(chǎn)品在被加壓以維持原料氣體混合物進(jìn)入吸附塔的壓力時(shí)生產(chǎn)。因此本發(fā)明不需要壓縮機(jī)加壓和輸送氣體產(chǎn)品給使用點(diǎn)。由于這個(gè)原因，系統(tǒng)費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用減少。
由于本發(fā)明中引入原料氣體混合物的壓縮機(jī)交替地供應(yīng)原料氣體給兩個(gè)吸附塔，操作中不需要暫停，壓縮機(jī)可有效地使用。
在PSA型的塔中使用的供應(yīng)原料氣體混合物的壓縮機(jī)進(jìn)行額外操作，致使壓縮和排放交替重復(fù)。但是，本發(fā)明中的壓縮機(jī)不必進(jìn)行這樣的額外操作。由于這一點(diǎn)，壓縮機(jī)總是在持續(xù)操作，增加了該設(shè)備的壽命。
在本發(fā)明中，產(chǎn)品罐配備了產(chǎn)品進(jìn)入管，吸附步驟回收的氣體產(chǎn)品儲(chǔ)存在產(chǎn)品罐中。儲(chǔ)存的氣體產(chǎn)品在再生步驟中被用作用于解吸易被吸附劑吸附的組分的沖洗氣體。因此氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)百分比被明顯地提高。
而且本發(fā)明中，由于吸附塔配備了平衡罐，吸附步驟后再生步驟前吸附塔排放的廢氣進(jìn)入在再生步驟后的低壓吸附塔。因此再生步驟后的低壓吸附塔的壓力增加使得吸附塔的壓力和平衡罐的壓力相等。原料氣體混合物并不浪費(fèi)地排放，被有效地利用。增加了氣體產(chǎn)品的生產(chǎn)百分比。
權(quán)利要求
1.一種氣體分離方法，其中，采用壓力變換吸附方法從包含至少兩種主要?dú)怏w組分的氣體混合物中分離和回收至少兩種主要?dú)怏w組分，其中，該方法包括如下步驟加壓氣體混合物；交替重復(fù)其中用不易吸附第一種主要?dú)怏w組分、易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第一種吸附劑分離第一種主要?dú)怏w組分作為第一種氣體產(chǎn)品的步驟；和其中用易吸附第一種主要?dú)怏w組分、不易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第二種吸附劑分離第二種主要?dú)怏w組分作為第二種氣體產(chǎn)品的步驟，并由此從所述氣體混合物中同時(shí)生產(chǎn)第一種和第二種氣體產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體分離方法，其中，在第一種和第二種主要?dú)怏w組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟中，第一種和第二種氣體產(chǎn)品儲(chǔ)存在產(chǎn)品罐中；和在第一種和第二種主要?dú)怏w組分分離為第一種和第二種氣體產(chǎn)品的步驟后，用儲(chǔ)存在產(chǎn)品罐中的第一種和第二種氣體產(chǎn)品沖洗第一種和第二種吸附劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物是空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體分離方法，其中，氣體混合物包含氮?dú)?、和選自氪氣與氙氣中的至少一種氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的氣體分離方法，其中，第一種吸附劑是沸石，第二種吸附劑是分子篩炭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的氣體分離方法，其中，氣體混合物包含氮?dú)?、和選自氪氣與氙氣中的至少一種氣體；第一種吸附劑是選擇性吸附氮?dú)獾腘a-A型沸石；第二種吸附劑是選擇性吸附氪氣和氙氣的活性炭。
7.采用壓力變換吸附系統(tǒng)從包含至少兩種主要?dú)怏w組分的氣體混合物中分離至少兩種主要?dú)怏w組分的氣體分離系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包括氣體加壓設(shè)備；填充有不易吸附第一種主要?dú)怏w組分、易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第一種吸附劑的第一個(gè)吸附塔；填充有易吸附第一種主要?dú)怏w組分、不易吸附第二種主要?dú)怏w組分的第二種吸附劑的第二個(gè)吸附塔；以及，將氣體混合物交替地通到第一個(gè)和第二個(gè)塔以及第一種和第二種主要?dú)怏w組分從第一個(gè)和第二個(gè)塔通過其流出的管線與閥門。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的氣體分離系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括存儲(chǔ)第一種主要?dú)怏w組分、提供有與第一個(gè)吸附塔連接的管線的第一個(gè)產(chǎn)品罐；第一種主要?dú)怏w組分通過其從第一個(gè)產(chǎn)品罐流回第一個(gè)吸附塔的管線；存儲(chǔ)第二種主要?dú)怏w組分、提供有與第二個(gè)吸附塔連接的管線的第二個(gè)產(chǎn)品罐；以及，第二種主要?dú)怏w組分通過其從第二個(gè)產(chǎn)品罐流回第二個(gè)吸附塔的管線。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種基于PSA方法分離氣體的方法和系統(tǒng)，氣體混合物含有的多種組分能高純度地同時(shí)被分離和回收，系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)費(fèi)用低，操作容易。分離氣體的方法包括以下步驟加壓包含兩種或更多種主要?dú)怏w組分的原料氣體混合物，例如，空氣MA，被壓縮機(jī)1加壓。交替地重復(fù)用不易吸附第一種主要?dú)怏w組分(氧氣)和易吸附第二種主要?dú)怏w組分(氮?dú)?的第一種吸附劑將第一種主要?dú)怏w組分的富含氧氣的氣體MO分離的步驟和用易吸附第一種主要?dú)怏w組分(氧氣)和不易吸附第二種主要?dú)怏w組分(氮?dú)?的第二種吸附劑將第二種主要?dú)怏w組分的富含氮?dú)獾臍怏wMN分離的步驟，由此從氣體混合物中同時(shí)生產(chǎn)第一種和第二種氣體產(chǎn)品。
文檔編號B01D53/047GK1503687SQ0280823
公開日2004年6月9日 申請日期2002年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月16日
發(fā)明者川井雅人, 中村章寬, 飛彈野龍也, 寬, 龍也 申請人:日本酸素株式會(huì)社